基于塔线体系完全气弹模型风洞试验的格构式输电塔风荷载识别与抗风优化设计方法

由于格构式输电塔结构上的特殊性，加上塔线之间的耦合，运动的塔线体系与气动力之间的耦合，使得格构式输电塔动力风荷载模型的建立与在此基础上的风振响应分析方法与抗风设计方法的建立十分困难，是风工程界长期关注且至今未能解决好的重大研究课题。本申请项目旨在通过典型输电塔线体系完全气弹模型风洞试验，测得塔上各控制点的风振响应及线的动张力；采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出体系阻尼及气动阻尼；采用逆虚拟激励法，反演得到塔的顺、横、扭三维荷载谱；由所测线的动态张力建立导、地线对铁塔的动力荷载模型；进而考虑气动阻尼，求出结构响应，建立基于内力等效的输电铁塔三维等效静力风荷载模型。将静力等效风荷载施加于输电铁塔有限元模型上，寻找结构的主要失效模式及相应的极限基本风压；最后建立基于主要失效模式的输电铁塔优化设计方法。

设计制作了满足几何相似、Strouhal数相似、弗劳德数相似、弹性参数和惯性参数相似、阻尼相似等主要相似比关系的完全气动弹性模型。经风洞试验测得了单塔、塔线体系的位移响应、加速度响应及导线的动应变。识别出了结构的固有频率和总阻尼比。对输电塔由风致响应来识别风荷载谱的过程进行了数值模拟，分析了测量精度、测点数量及位置、模态数及风荷载系数等对荷载识别精度的影响。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线，利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。提出了一种利用气弹模型风洞试验测得的若干测点位移来计算输电塔风致响应的方法，该方法同时考虑了气弹效应、塔线耦合效应、塔线体系风振中的非线性。研究了建立等效静力风荷载的方法。利用随机振动理论建立了新、旧两种荷载规范中风振系数表达式之间的内在联系，指出了新规范计算风振系数的参数与旧规范中的脉动增大系数、脉动影响系数、位置函数的关系。惯性风荷载（IWL）法来计算等效静力风荷载，由这样的等效静力风荷载可得到精确的1阶位移响应，但计算其它类型响应的背景分量往往误差较大，特别是结构底部剪力的背景分量。IWL法计算的总动力响应的精确度不满足要求时，需要进行修正，研究了对总底部剪力响应进行修正的方法。建立了在风荷载作用下，寻找输电铁塔主要失效模式的方法，该方法以基本风压为控制量，可以方便地获得输电铁塔的主要失效模式及其极限基本风压。以主要失效模式中的单元为优化目标，建立了基于失效模式的结构优化方法。